反铁磁绝缘体氧化锶铱中杂质散射的声子手性证据

(a) 热霍尔实验的图示。在存在外部磁场的情况下对材料施加纵向热梯度，导致绝缘铱酸盐单晶中的声子产生横向热梯度。 (b) Sr2IrO4 部分晶体结构示意图。黄色箭头表示铱原子的自旋，赋予材料反铁磁性。在 Ir 位点引入 Rh 掺杂会产生比用 La 原子取代 Sr 原子时观察到的热霍尔信号强 30 倍的热霍尔信号。图片来源：Martelli, V. 声子在磁场中弯曲。 自然。物理。 （2024）。

https://doi.org/10.1038/s41567-023-02288-w

热霍尔效应 (THE) 是一种物理现象，其特征是当热电流通过材料并向材料施加垂直磁场时，材料中会出现微小的横向温差。在越来越多的绝缘体中观察到这种效应，但其基本物理原理仍然知之甚少。

加拿大舍布鲁克大学的研究人员一直试图找出不同材料中这种效应背后的机制。他们的最新论文发表在自然物理学中，专门研究了反铁磁绝缘体氧化锶铱（Sr2IrO4）。

“我们目前对绝缘体中THE的研究活动始于我们在铜酸盐超导体中发现了一个大型THE，”该论文的合著者Louis Taillefer告诉Phys.org。

“这让每个人都大吃一惊，特别是大型THE一直坚持到零掺杂，其中铜氧化物是莫特绝缘体。这立即引起了各种理论家的兴趣，包括斯坦福大学的史蒂夫·基维尔森和哈佛大学的苏比尔·萨赫德夫”。

在他们发现后不久，研究人员就能够确定铜酸盐绝缘体中造成这种效应的热载体是声子，即振荡原子振动能量的波。 2020 年《自然物理学》发表的一篇论文概述了这些发现。

Taillefer 说：“这项工作背后的想法是将热流垂直发送到 CuO2 平面，沿着这个方向只有声子可以传播，而电子或与自旋相关的激发则不能。” “这表明声子是相关的热载体，正如 Kamran Behnia 团队之前在钛酸锶中发现的那样。”

左边是该文章的主要作者、博士生 Amirreza Ataei，右边是该项目的首席研究员 Louis Taillefer 教授。图片来源：Michel Caron，舍布鲁克大学

该团队的实验结果表明，声子支撑了他们在铜氧化物绝缘体中观察到的THE，但他们实现这种效应的物理机制仍然未知。他们的工作随后启发了许多理论物理学家为这一机制提供了可能的解释，其中包括斯坦福大学的 Kivelson、哈佛大学的 Sachdev、德克萨斯大学的 Allan MacDonald 和圣巴巴拉 KITP 的 Leon Balents。

“我们的实验方法是在各种材料中寻找声子 THE，”Taillefer 解释道。 “其中一种材料是反铁磁绝缘体 Cu3TeO6。另一种材料是铱酸盐 Sr2IrO4，这是我们在自然物理学上最新论文的主题。”

因此，作为近期研究的一部分，Taillefer 和他的同事专门研究了杂质对 Sr2IrO4 中声子诱导 THE 的影响。为此，他们的合作者巴黎萨克雷大学固体物理实验室的 Véronique Brouet 在材料中引入了两种杂质：首先是铑(Rh)杂质，然后是镧(La)杂质。

“令人惊讶的是，当添加少量 Rh 杂质时，我们看到 THE 的巨大增强，”Taillefer 说。 “我们观察到仅用 5% 的 Rh 代替 Ir 就增加了 70 倍。这有力地表明声子 THE 是由反铁磁环境中嵌入的杂质散射声子引起的（在这种情况下，IrO2 层）。”

Taillefer 和他的同事收集的新发现暗示了一种可能的机制，可以支撑在 Sr2IrO4 中观察到的声子 THE。这种机制涉及杂质对声子的散射，可能是通过共振过程，例如 Kivelson 或 Sachdev 提出的共振过程。与此同时，研究人员计划继续研究THE效应，重点关注各种其他材料。

Taillefer 补充道：“未来研究的一个方向将是看看作为量子自旋液态候选材料是否会产生不是来自声子的 THE，而是来自奇异的新兴激发，例如马约拉纳费米子或自旋子。”

“候选材料包括 RuCl3 和 Na2Cu2TeO6。另一个方向，这次是 声子 THE，将了解当施加的磁场平行于热流时，某些材料如何产生THE；即所谓的“平面THE”。莫名其妙！”

2023 年末，Taillefer 和他的同事发表了多篇论文，探讨不同类别材料中的平面 THE。到目前为止，他们的研究主要集中在受阻反铁磁绝缘体、基塔耶夫材料和铜酸盐。

更多信息：A. Ataei 等人，Sr2IrO4 反铁磁相中杂质散射的声子手性，自然物理学 (2024)。 DOI：10.1038/s41567-024-02384-5 。

Journal information: Nature Physics

期刊信息：自然物理学

来自：量子梦